基于動態天線調度的機載超短波通信系統設計*

王 穎

（中國電子科技集團公司第十研究所 成都 610036）

1 引言

隨著對信息化戰爭條件下作戰理論與實踐的深入認識，制信息權成為決定戰爭勝負新的戰略“制高點”，世界各國不斷加大軍事電子信息系統的投入［1］。提升機載超短波通信功能的通信質量和通信可靠性，是現代信息化戰爭領域中的一個重要研究課題［2］。

超短波天線裝機后部分方向的天線增益無法滿足使用需求，導致超短波通信出現信號質量差、通信中斷等問題［3～4］。在不改變通信體制和機載環境受限的情況下，提升天線空域覆蓋，提高通信質量是問題的關鍵。

2 基于天線分集的機載超短波通信功能

分集技術分為空間分集、頻率分集、時間分集和極化分集等多類分集方式［5～7］。受機載超短波通信體制限制，在不改變波形體制和地面激勵器軟硬件的情況下，考慮機載平臺對硬件開銷的限制，選擇雙天線接收、單天線發射的空間分集方式［8～9］。

基于雙天線的超短波通信框架如圖1所示，采用雙天線接收，利用兩副安裝在不同位置的天線，空域覆蓋具備互補性，為接收信號提供更多副本，在信號處理中選擇信號質量好的鏈路送至應用層。發射利用天線切換技術，根據接收鏈路狀態信息，將接收時優選的天線反饋給射頻前端，從兩副天線中選擇1副進行發射。該技術只需要1個放大器，降低了射頻開銷和節約成本，同時也可以達到兩副天線相同的空間分集效果，提高傳輸質量和可靠性。

圖1 基于雙天線的超短波通信功能框圖

基于雙天線的超短波通信功能線程收發流程如圖2所示。接收的射頻信號比對和優選在信號處理中實現，選擇的結果上報給資源調度中心。發射時功能向資源調度中心請求天線資源，調度中心根據上一次接收天線選擇分配發射天線給鏈路進行發射。

圖2 基于雙天線的超短波通信功能線程收發流程

3 基于動態天線資源調度策略的機載超短波通信系統設計與實現

在第2節中提出了基于雙天線的超短波通信功能架構，機載超短波通信系統是多鏈并行的通信系統，受機載平臺限制，無法滿足每條鏈路配置兩副獨立天線的需求；在有限的天線和射頻資源下，有效的天線分配和調度策略是保證充分利用鏈路資源、發揮天線效能的關鍵。

3.1 基于動態規劃的天線資源調度策略

傳統的天線調度策略是根據任務規劃，在飛行前規劃好每個功能線程使用的天線，功能裝配成功后天線不再更改。這種調度策略的好處是對硬件鏈路控制簡單，操作性高，資源調度中心根據規劃好的功能線程和天線對應方式進行資源配置［10～13］。缺點是多個功能線程并行工作時，存在資源沖突（多線程需要相同天線資源）和資源浪費（某些天線資源空閑未被使用）的情況。

圖3（a）為兩個并行的功能線程同時使用兩副天線的資源使用示意圖，采用固定天線資源調度策略時，功能線程2使用天線1發射時，功能線程1請求發射時資源沖突。

針對固定天線分配策略的問題，提出了基于動態規劃的天線資源調度策略［14］。所有天線資源均在資源池中接收動態配置，依據鏈路狀態實時分配，出現資源沖突時，根據鏈路的優先級，保證優先級高的鏈路獲得最優的天線資源，并將資源池中空閑的天線分配給其他需要使用的鏈路。圖3（b）采用動態天線分配策略，功能線程2優先級高于線程1。在功能線程2占用天線1發射時，資源調度中心分配天線2作為功能線程1發射天線。

圖3 不同天線分配策略下的工作時序

在機載超短波多鏈通信系統中，以提升天線利用率、提高通信概率為目標，建立天線調度策略。在天線調度過程中，有3個主要考慮的因素。

1）鏈路狀態信息

資源調度中心根據每條鏈路的實時狀態篩選出哪些天線是正在被使用的，哪些天線是空閑的。每條鏈路均需要實時上報鏈路狀態信息：當接收信道靜噪被沖開，檢測到有用信號時，鏈路上報“正在收”；當信號處理收到話音或應用層消息時，鏈路上報“正在發”；非以上兩種情況，鏈路上報“未收未發”。

2）接收天線選擇

每條鏈路均采用雙天線接收，信號處理根據接收到的信號質量優選一路信號送至應用層，在信號處理選擇好接收天線后，上報選擇的結果給資源調度中心，便于調度中心將其空余出的天線配置給其它鏈路使用。

3）鏈路優先級

有限的天線資源下，一定存在天線資源競爭。資源調度中心需要根據鏈路優先級進行裁決，優先保證高優先級鏈路的天線資源使用；動態分配空閑資源，盡可能地滿足多功能并行工作的需求。

3.2 機載超短波通信系統設計與實現

機載超短波通信鏈路采用半雙工通信架構，為飛行員提供常規、抗干擾話音和數據業務，根據任務需求，也提供搜救話音數據和船舶自動識別信號接收等業務。

機載超短波通信系統是多鏈并行通信系統。單個飛機平臺裝備不超過4副的超短波天線，為提高鏈路的通信質量和可靠性，提出基于動態天線調度的機載超短波通信系統。

采用通用、可重構的硬件架構，通過動態加載的方式裝配不同的功能波形，支持多鏈并行工作，采用開關矩陣單元實現了天線到信號處理單元間的網狀路由，資源調度中心為實時檢測和調度天線資源提供保障。圖4為可支持4條鏈路并行工作的機載超短波通信系統，使用4副機載超短波天線，每條鏈路均可采用雙天線空間分集提升通信概率，提高通信質量。

圖4 機載超短波通信系統

接收時，兩副天線收到的信號經過天線接口單元濾波、放大處理后，經過開關矩陣路由至不同的接收信道，接收信道完成下變頻、放大、濾波及AD變換后送至信號處理完成信號解調、解擾和信號質量優先，選擇質量好的一路送至應用層。

發射時，信號處理完成信號加擾、調制后，送至激勵信道完成DA變換、上變頻、濾波及放大，再通過開關矩陣路送至天線接口單元，經過放大、濾波后選擇一副天線發射。

機載多鏈超短波通信系統具備以下特點：

1）受機載平臺限制，天線資源有限，并行功能線程需要的天線資源數量大于機載實際天線資源數量；

2）硬件架構靈活，通過開關矩陣路由，功能線程可以使用機載超短波天線中的任意天線；

3）軟件架構靈活，通過資源調度中心實時分配天線，避免天線資源的沖突和浪費。

4 基于動態規劃的天線資源調度策略效能評估

針對機載超短波通信系統的使用需求和特點，為提高多鏈并行時天線的使用效率，并保證高優先級鏈路的通信穩定性。在本節中，根據第3節提出的基于動態規劃的天線資源調度策略，分析了4條并行的通信鏈路在兩種不同的天線分配策略下的通信概率性能。

結合實際工作數據，仿真時通信概率參數設定為雙天線模式通信概率85%，單天線模式通信概率50%。4條鏈路采用接收∶發射∶空閑=5∶3∶1的占空比分配，鏈路1從t0時刻開始工作，鏈路2、3、4由［t0+3s，t0+5s］范圍內的隨機時刻開始工作，以保證4條鏈路工作狀態的隨機性，由于各條鏈路起始時間的隨機性，仿真結果略有不同，但總體趨勢一致。優先級設定為鏈路1＞鏈路3＞鏈路2＞鏈路4。

基于固定分配天線策略的仿真結果如圖5所示。隨工作時間，各鏈路出現資源沖突的概率升高，每條鏈路的通信概率均有所下降，鏈路2、3、4的通信概率低于50%，鏈路1的通信概率為68.33%。

圖5 不同分配天線策略下的通信概率

圖6 動態調度天線策略下的通信概率

基于動態分配天線策略的仿真結果如圖8所示。優先級最高的鏈路1通信概率始終保持在85%，鏈路3的通信概率為66.74%，鏈路2的通信概率為51.67%，鏈路4的通信概率為28.86%。

由表1可以看出，基于動態調度天線策略下鏈路1～3的通信概率較固定天線策略提升16.67%～23.81%；由于鏈路4的優先級最低，兩種策略下鏈路4的通信概率基本一致。

表1 不同分配方式的通信概率對比

5 結語

根據機載平臺的實際情況及傳統單天線模式通信效果差的問題，提出了基于雙天線分集收發的超短波通信系統，在天線資源有限的情況下，設計了基于動態規劃的天線資源調度策略，提升天線利用率。仿真結果表明基于動態天線調度的機載超短波通信系統提升了鏈路的通信概率，為后續機載設備的超短波通信系統設計提供參考。